 1918年，美国新奥尔良新建了一座火车站，他们邀请南方最著名的盲人钟表匠加托先生为火车站铸造了一个大钟。而当大钟揭幕时，人们惊奇地发现，这座钟是逆时针走的！ 加托先生请求人们原谅，他希望这个逆时间行走的大钟能让时光倒流，让他在第一次世界大战中牺牲的儿子，以及千千万在战争中去世的年轻人重返家园。 时光当然无法倒流。但是这座倒走的时钟却创造了另外一个奇迹。 1919年，在一战宣布结束的同一天，一个名叫本杰明·巴顿的孩子出生了，他全身长满皱纹，患有严重的关节炎，看起来就像一个80岁的老头儿。 本杰明·巴顿在养母奎妮的抚养下长大，他变得越来越年轻，直到最后变成皮肤滑嫩的婴儿在自己一生的恋人黛西的怀里离开世界。 这当然只是一个虚构故事，来自菲茨杰拉德同名小说《本杰明·巴顿奇事》改编的电影。人造的时钟不会让一个人返老还童，但我们却能够感受生命受时间调控的神秘力量。 从候鸟的迁徙到乌龟的冬眠，从女性的月经周期到含羞草的昼开夜合，世间所有生命内部都有一个神奇的时钟，它就是生物钟！ 那么，关于生物钟的科学研究又是从什么时候开始的呢？ 说来，你可能不信。这最早是由一个天文学家开展的。 好奇的天文学家1729年夏天的某个黄昏，一个叫德梅朗（de Mairan）的法国天文学家，失神地望着窗外的天空。忽然，他一低头，看到了窗台上的那株含羞草。此时，它已娇羞地合上叶子睡去了，而在白天，它的叶片曾那么张扬地展开着。 好奇心驱使着德梅朗发出了这样的疑问：含羞草叶片的开合跟阳光有关吗？ 接下来，他做了一个非常简单又非常著名的实验：他把含羞草放在持续黑暗的环境中。结果发现，即使没有阳光，含羞草的叶片还是会在白天张开、晚上闭合。 含羞草实验示意图 德梅朗把这个发现写成了只有350个单词的论文[1]，他大概也想不到，他一个天文学家居然开启了生物钟的科学研究！ 然而，生物钟究竟是什么？这一切都得从一门学科说起。 神秘的生物钟学如果你有过国际飞行经历，那么，时差综合征给你带来的感觉一定不会很好受。 这是因为，你迅速地从太阳升起的地方飞到了太阳落下的地方（或者相反），短时间内，你身体内的时钟还来不及跟外界时间同步，所以，昼夜节律被打乱了，你就会感到很疲惫、心情很暴躁，需要好几天才能适应当地的昼夜变化。 时差综合征大概是我们关于生物钟最直观的感受。 所谓的生物钟，指的就是生物内部的时钟。以我们人体为例，生物钟包括了中央生物钟和外周生物钟[2]。前者位于我们下丘脑的视交叉上核，而后者则存在于各种外周组织中，比如肝脏、心脏、肌肉等等。中央生物钟可以通过激素、神经信号等，调节外周生物钟，保持整体节奏一致。 视交叉上核大概有2万个神经元组成，一部分神经元即使在没有光的环境里也能确保24小时节律活性，这奠定了生物钟内源性的基础。 而另一部分神经元能够接收到视细胞传来的光信号，从而调节中央生物钟与外界时间进行同步，也就是说生物钟可以受到光线的调节。所以，如果你想尽快倒时差，不妨多出去晒晒太阳。 人体生物钟示意图 所谓的生物钟学，或者说时间生物学（chronobiology），就是一门研究生物体内与时间有关的周期性现象的学科。这门学科源自于20世纪二三十年代，有几个著名的科学家可以被称作时间生物学的奠基人。 一个是德国医生兼生物学家，尤金·阿绍夫（Jürgen Aschoff）[3]。他和同事们专门建造了一个“与世隔绝”的地下室，没有外部光线和声音，也没有钟表。这个地下室可以让受试者正常生活，只是失去了外部时间。即便如此，人体的体温节律还是保持在24小时左右。 所以，阿绍夫认为人类具有内源性的昼夜节律振荡器。这一发现成为了我们理解时差、衰老、睡眠障碍等许多医学问题的基础。 尤金·阿绍夫研究人体生物钟所使用的“地下室” 另一个是德国的生物学家，欧文·邦宁（Erwin Bünning）[4]。他发现植物叶片的运动节律是内在的，即使亲本植物暴露于非昼夜光照周期，它的昼夜节律依然可以传递给下一代。这意味着植物的昼夜节律是可以遗传的。 还有一个美国生物学家，科林·皮登觉（Colin Pittendrigh）[4]。他曾研究果蝇的羽化现象，并且提出生物钟可以被周期性的环境信号牵引，这些环境信号又被称作是授时因子，比如光照、温度。简单理解就是，光照、温度等外界环境可以调节内部的生物钟，让它与环境保持同步。 生物钟之父——Colin Pittendrigh 时间生物学的奠基人给出的这一系列的结论，都在告诉我们：生物钟是内源性的，是不依赖环境的。 然而，生物钟的内在基础又是什么？ 历史总是让人意想不到！ 最先给出答案的，不是科班出身的生物学家或者医学家，而是一个物理专业出身的犹太裔美国科学家。 “愚蠢”的物理学家这个物理学家名叫西摩·本哲（Seymour Benzer）。受薛定谔所写的《生命是什么》这本洪荒巨著的影响，本哲干了几年物理学助教之后，转而到加州理工学院读博士后，搞起了噬菌体遗传学研究。 之后，本哲把自己的研究方向转到了行为遗传学，他认为具体的行为可能受到单一基因作用的影响，并且有可能通过分离携带基因突变的生物进行证明。 然而，他的这个想法却遭到了一些行为遗传学家的嘲笑，觉得这个想法真的是太stupid了。因为，当时的主流观点认为，行为是非常复杂的现象，不能归因于单一基因。 Benzer和他的果蝇玩偶 于是，在种种质疑和嘲笑下，本哲和他的学生罗纳德·科诺普卡（Ronald Konopka）开始了伟大的研究。 1971年，他们采用化学诱变方法，分离出了3种不同的突变体果蝇，它们的羽化周期（正常周期是24小时）发生了改变。其中一个突变体变得没有节律、另一个突变体只有19小时，还有一个是28小时。经过一系列分析发现，这三个突变都发生在相同的基因上[5]。后来，这个基因被命名为period，这个单词代表着“周期”的意思。 至此，本哲把时间生物学带到了遗传学时代！ 而这也给三位诺贝尔生理学或医学奖得主的重大发现指明了方向。 三位诺贝尔奖得主的故事在本哲发现果蝇的生物钟基因之后，科学家们还在霉菌[6]、绿藻[7]中发现了影响生物钟的基因突变。由于当时基因克隆技术还不够发达，关于生物钟基因具体是怎样的还是个未知。 此时，在2017年获得诺贝尔生理学或医学奖的三位科学家终于出场了！ 其中一位是本哲的博士后，杰弗里·霍尔（Jeffrey Hall）。霍尔后来成为布兰迪斯大学的教授。在那里，他遇上了另一位诺奖得主，迈克尔·罗斯巴什（Michael Rosbash）。两个人在布兰迪斯大学的合作，开启了生物钟基因和分子机制的研究。 Michael Rosbash（左）和Jeffrey Hall（右） 1984年，霍尔和罗斯巴什在《细胞》杂志上发表了论文，成功克隆出来了果蝇的period基因[8]。 而就在此时，另一位诺奖得主，洛克菲勒大学的迈克尔·杨（Michael Young）也出场了！ 同一年，杨在《美国科学院院报》杂志上刊登了论文，论文的内容也是果蝇period基因的克隆[9]。
Michael Young 三位诺贝尔奖得主的工作意味着人类分离得到了第一个生物钟基因，并且描绘了这个基因的分子特征。然而，生物钟的具体分子机制还是个未知之谜。 接下来的好多年里，霍尔和罗斯巴什教授团队和迈克尔·杨教授团队，展开了激烈的学术竞赛，他们都为生物钟分子机制研究做出了卓越的贡献。 霍尔和罗斯巴什教授发现，由period基因编码的蛋白质PER会在夜间积累并在白天降解，PER蛋白的水平在24小时周期内与果蝇的昼夜节律保持着同步的振荡[10]。
那么，PER蛋白又是如何产生并维持这种昼夜节律的振荡呢？ 罗斯巴什教授的一名研究生提出了这样一个模型假说，认为昼夜节律的产生是由于PER蛋白的负反馈调节造成的，也就是说一旦PER蛋白量多了，就会关闭period基因，从而阻止自身的合成；而当PER蛋白量少了，period基因就会重新开启，合成PER蛋白[11]。这样，PER蛋白就能以连续的循环节律调节其自身水平。 这个模型假说虽然听起来很不错，而且霍尔和罗斯巴什教授也已经证明了PER蛋白在夜间存在于细胞核中，在白天聚集在细胞质中[12]。但是，PER蛋白是如何在细胞质和细胞核间穿梭的呢？ 这个问题的解决又多亏了迈克尔·杨教授。 1995年，迈克尔·杨发现了果蝇的生物钟基因timeless，它编码的TIM蛋白也是昼夜节律所必须的[13]。之后的研究表明，当TIM蛋白与PER蛋白结合时，两种蛋白就会进入到细胞核，关闭period基因，从而阻止PER蛋白的表达[14]。 紧接着，在1998年，迈克尔·杨又发现了另一个生物钟基因doubletime，它编码的DBT蛋白，能够降解PER蛋白，延缓PER蛋白在细胞质中的积累，以更好地适应24小时的昼夜节律[15]。
生物钟转录-翻译负反馈环路示意图 如此一来，三位诺贝尔奖得主的发现，就建立起了生物钟的关键分子机制，也就是所谓的转录-翻译负反馈环路（transcription-translation feedback loop，TTFL）。 后来，科学家们又在包括人类在内的其他生物体内，发现了许许多多与生物钟有关的基因。即便某些基因的名字跟果蝇的生物钟基因不同，但TTFL仍然是不同物种的生物钟主要依赖的机制。这也就是为何三位科学家能获得诺奖的原因。 说了这么半天，生物钟跟我们的生活有什么关系，对人体的健康有什么影响，在医学上有什么应用呢？ “深夜食堂”要不得相信很多人都喜欢在夏天的夜晚去街上撸个串儿、喝点儿酒，这样的生活虽说是很惬意，但对健康却很不好。 哈佛医学院对110名18-22岁年轻人进行了为期30天的研究，记录了他们的食物摄入量、身体成分、昼夜节律行为。 结果发现，当身体的褪黑素分泌增多（意味着体内的生物钟进入夜间模式）时，体脂高的受试者比体脂低的受试者摄入的食物更多[16]。这意味着，当你的生物钟向你发出夜间信号时，你还管不住嘴的话，那么就更容易发胖。
吃，还是不吃？ 另外，美国德州大学的研究发现，在不正常的时间段，比如深夜吃东西，会破坏皮肤的生物钟，让皮肤中修复紫外线损伤的一种叫做XPA的酶，在白天的表达量降低，这就会导致皮肤更容易受到紫外线的损伤，时间久了，皮肤会更容易老化甚至是发展成癌症[17]。 所以，为了少长肉、少晒伤，还是离“深夜食堂”远一些吧。 熬夜/倒夜班的危害有多大熬夜或者倒夜班的危害有多大呢？最明显的是第二天身体疲惫、精神不济、心情低落，但这不是危害的全部！ 研究发现，比起白天工作，夜间工作的能量消耗降低，所以在摄入相同热量的情况下，夜间工作的人更容易长胖[18]！更糟糕的是，上夜班的护士患乳腺癌的风险比普通人高60%[19]！ 2017年发表的一项研究发现，相比于夜间睡觉的人，夜间工作的人DNA损伤的修复程度非常低，只有前者的20%左右。这意味着，长此以往，夜间工作的人，体内的DNA损伤会越积越多，那么，患癌症等疾病的风险也将大大提升[20]。
至于原因，研究人员给出的解释是，夜间工作的人，体内的褪黑素产生的很少。褪黑素又叫“黑暗荷尔蒙”，是我们生物钟的重要调节物质，一般是在晚上大量产生而在白天却产生的很少。它既能促进睡眠，也能上调DNA损伤修复的关键酶，还能清除导致DNA突变的活性氧[21]。 所以，上夜班的人体内缺乏褪黑素，DNA损伤修复的能力就降低了，一旦DNA损伤积累过多，癌症风险就升高了。 那么，为了健康你还会熬夜吗？ 心脏手术最好是下午做做个心脏手术也要讲究天时地利吗？确实是这样。 在法国里尔大学开展的一项研究中[22]，有 596名需要进行主动脉瓣置换术的心脏病患者被分成了两组，一组是在上午进行手术、另外一组是在下午进行手术。这些患者全部由4名高级外科医生随机选取进行手术的，每个医生每天进行两台手术，一台在上午、一台在下午。 之后，研究人员又对这些完成手术的患者进行了500天的跟踪调查。结果发现，与上午手术的患者相比，下午手术的患者，出现急性心衰、心肌梗死等一系列心血管不良事件的风险降低了50%。
后来，研究人员又招募了88名患者重复了以上的实验，同时在手术过程中观察患者的心肌损伤情况。他们发现在下午进行手术的患者，心肌细胞对于缺血再灌注损伤的耐受性更好，手术后心肌细胞的损伤更小。 而心肌细胞的耐受性，主要是受一种叫做Rev-Erbα的昼夜节律基因的调节，它编码的是一种转录抑制蛋白。 在上午，转录抑制蛋白的活性较高、抑制了心肌细胞损伤耐受性相关基因的表达，所以上午进行手术，心肌细胞容易损伤。而在下午，转录抑制蛋白活性较低，心肌细胞耐受性相关基因表达就得以正常，因此，心肌细胞也不容易受损。 如此看来，条件允许的话，还是下午再进行心脏手术吧。 编辑神叨叨 其实，《黄帝内经》中就有关于人的身体状况随着季节变动而变化的周期性现象的描述。这里没有写，不是觉得它不科学，而是不知道怎么把它解释得很科学。毕竟，“非其人勿教，非其真勿授，是谓得道。” P.S. 据说《时间简史》的作者，霍金的最后一篇论文近期发表了，你能看懂么？ 参考资料： [1] De Mairan J. Observation botanique[J]. Histoire de l’academie Royale des sciences,1972: 35-6. [2] Bass J, Lazar MA. Circadian time signatures of fitness and disease[J]. Science,2016, 354(6315): 994-9. [3] Daan S, Gwinner E. Jürgen Aschoff (1913-98)[J]. Nature,1998, 396(6710): 418. [4] Golombek DA, Rosenstein RE. Physiology of circadian entrainment[J]. Physiological Reviews,2010, 90(3): 1063-102. [5] Konopka RJ, Benzer S. Clock Mutants of Drosophila melanogaster[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,1971, 68(9): 2112-6. [6] Feldman JF, Hoyle MN. Isolation of circadian clock mutants of Neurospora crassa[J]. Genetics,1973, 75(4): 605-13. [7] Bruce VG. Mutants of the biological clock in Chlamydomonas reinhardi[J]. Genetics,1972, 70(4): 537-48. [8] Reddy P, Zehring WA, Wheeler DA, et al. Molecular analysis of the period locus in Drosophila melanogaster and identification of a transcript involved in biological rhythms[J]. Cell,1984, 38(3): 701-10. [9] Bargiello TA, Young MW. Molecular genetics of a biological clock in Drosophila[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences,1984, 81(7): 2142-6. [10] Siwicki KK, Eastman C, Petersen G, et al. Antibodies to the period gene product of Drosophila reveal diverse tissue distribution and rhythmic changes in the visual system[J]. Neuron,1988, 1(2): 141-50. [11] Hardin PE, Hall JC, Rosbash M. Feedback of the Drosophila period gene product on circadian cycling of its messenger RNA levels[J]. Nature,1990, 343(6258): 536. [12] Liu X, Zwiebel LJ, Hinton D, et al. The period gene encodes a predominantly nuclear protein in adult Drosophila[J]. Journal of Neuroscience,1992, 12(7): 2735-44. [13] Myers MP, Wager-Smith K, Wesley CS, et al. Positional cloning and sequence analysis of the Drosophila clock gene, timeless[J]. Science,1995, 270(5237): 805-8. [14] Gekakis N, Saez L, Delahaye-Brown A-M, et al. Isolation of timeless by PER protein interaction: defective interaction between timeless protein and long-period mutant PERL[J]. Science,1995, 270(5237): 811-5. [15] Price JL, Blau J, Rothenfluh A, et al. double-time is a novel Drosophila clock gene that regulates PERIOD protein accumulation[J]. Cell,1998, 94(1): 83-95. [16] McHill AW, Phillips AJ, Czeisler CA, et al. Later circadian timing of food intake is associated with increased body fat[J]. The American journal of clinical nutrition,2017, 106(5): 1213-9. [17] Wang H, van Spyk E, Liu Q, et al. Time-restricted feeding shifts the skin circadian clock and alters UVB-induced DNA damage[J]. Cell Reports,2017, 20(5): 1061-72. [18] McHill AW, Melanson EL, Higgins J, et al. Impact of circadian misalignment on energy metabolism during simulated nightshift work[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences,2014, 111(48): 17302-7. [19] Davis S, Mirick DK, Stevens RG. Night shift work, light at night, and risk of breast cancer[J]. Journal of the National Cancer Institute,2001, 93(20): 1557-62. [20] Bhatti P, Mirick DK, Randolph TW, et al. Oxidative DNA damage during night shift work[J]. Occup Environ Med,2017: oemed-2017-104414. [21] Sliwinski T, Rozej W, Morawiec-Bajda A, et al. Protective action of melatonin against oxidative DNA damage—chemical inactivation versus base-excision repair[J]. Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis,2007, 634(1): 220-7. [22] Montaigne D, Marechal X, Modine T, et al. Daytime variation of perioperative myocardial injury in cardiac surgery and its prevention by Rev-Erbα antagonism: a single-centre propensity-matched cohort study and a randomised study[J]. The Lancet,2017 |
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